Свойства, состав и форма алюмосиликатных и других оксидных включений в сварных швах — КиберПедия 

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни...

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций...

Свойства, состав и форма алюмосиликатных и других оксидных включений в сварных швах



 

Оксидалюминия находится в неметаллических вклю­чениях в металле швов в составе алюмосиликатов или же в виде корунда и шпинелей.

Корунд или ɑ-глинозем А1203 находится в природе в виде нескольких полиморфных образований, в неме­таллических включениях встречается только одно из них — высокотемпературная форма ɑ-глинозема или ко­рунда.

При раскислении сварочной ванны алюминием обра­зуются тонкодисперсные зерна А1203. Часто их наблюда­ют в виде отдельных маленьких зёрен, иногда в виде скоплений в силикатной оболочке, так как А1203, находясь в твердом состоянии в жидкой стали, не вступает в реакцию с Si02, а покры­вается пленкой силикатов. Поскольку межфазное натя­жение на границе жидкая сталь — корунд велико, час­тицы корунда ввиду большой тугоплавкости склонны со­бираться в скопления.

Часто включения А1203, образующиеся при раскисле­нии стали, содержат изоморфные примеси, от присутствия которых зависит их цвет и показатель преломления. Изумрудно-зеленая окраска глинозема обусловлена изоморфной примесью окислов хрома, желто-зеленая — вольфрама и т. д. Указанные включения наиболее часто встречаются в сварных швах на хромоникелевых аустенитных сталях.

Эндогенный корунд имеет форму бесцветных дисперс­ных шестиугольных кристаллов, а также гроздевид­ных скоплений. Кристаллы эти прозрачны и анизотроп­ны. Включения глинозема в виде больших обломков прозрачных и бесцветных, по внешнему виду похо­жих на обломки стекла, обычно рассматривают как экзогенные включе­ния [4].

При дуговой сварке в активных защитных газах включения корунда встре­чаются часто. Они попадают в сварной шов либо из металла сварочного металла, либо явля­ются продуктами окисления активным защитным газом остаточного алюминия проволоки. Н. М. Новожилов в своих исследованиях [3], например, установил, что неме­таллические включения электродных проволок имеют температуру плавления выше, а неметаллические вклю­чения металла швов, выполненных в защите С02, ниже температуры плавления металла. Это способствует тому, что включения сварочной про­волоки практически полностью остаются в закристаллизовавшемся металле швов. При сварке в защитных газах так и происходит. Действительно, подавляющее количество образующихся при сварке в С02 оксидов успевает выделиться в свароч­ной ванне, образуя на поверхности металла шва шлак на основе системы FeO —MnO—Si02. На­званные оксиды имеют сравнительно низкие температу­ры плавления и способны легко коагулировать.



Другая картина для оксидов на основе А12. Не­смотря на низкое содержание остаточного алюминия в сварочной проволоке и включений А1203 в металле про­волоки, содержание А1203 в металле шва сравнительно высокое. Как уже отмечалось выше, включения А12, присутствуя в жидкой сварочной ван­не в твердом состоянии, практически не вступают во взаимодействие с другими включениями оксидов. Состав оксидов, выделенных из металла швов электролитиче­ским растворением, лишь формально соответствует си­стеме А1203—MnO—Si02 с температурой плавления до 1770 К. На самом деле оксидные включения дифференцированны по составу, поэтому значительная доля находящихся в электродных проволоках дисперс­ных включений А1203 не успевает в процессе сварки вы­делиться в сварочный шлак и остается в металле шва.

При автоматической сварке под флюсом содержание включений А1203 в металле шва не только зависит от количества глинозема в составе флюса, но и определяется химическим составом сварочной проволо­ки. Это положение подтверждается дан­ными В. В. Подгаецкого [5], выполнявшего многослой­ные наплавки под плавлеными флюсами с различным содержанием как Si02, так и А1203 в сочетании со сва­рочными проволоками марок Св-08, Св-08Г и Св-10ГС.

Из полученных им данных видно, что основную массу включений в металле швов составляет А1203 наряду с FeO, МпО и СаО. При этом если в металле, наплавленном под высококремнистым безмарганцовистым флюсом АН-5, содержащем в своем составе всего 1,6 % А1203, наблюдалось мало включений глинозема и шпинелей, то металле, наплавленном под низкокремнистым флюсом АН-30 с 40 % А12, глинозем и шпинели составляли основную массу оксидных включений. Обращает внимание более высокое содержание А1203 в составе включений п сравнению с СаО и MgO при идентичном исходном со держании их в составе сварочного флюса. В качестве примера можно рассмотреть случай многослойной на плавки проволокой Св-10ГС под флюсом АН-30. Поскольку названная проволока не содержала в своем составе алюминия [5], источником А1203 в не металлических включениях в металле мог быть только флюс. Подобное положение имело место и в отношении содержания в неметаллических включениях СаО и MgO. Однако количество А1203 в составе неметаллических включений было приблизительно равным концентрации в использованном флюсе, тогда как количество СаО бы­ло на порядок меньше его содержания во флюсе, a MgO во включениях не было обнаружено, несмотря на то, что во флюсе содержалось 16,4 % MgO [5]. Это лишний раз подтверждает положение о том, что включения Al203 в металле швов образуются преимущественно эндоген­ным путем, а не экзогенным.



Таким образом, результаты исследований, выполнен­ных различными учеными, указывают на преимуществен­но эндогенную природу образования включений А1203 при дуговой сварке, несмотря на высокую температуру плавления оксида алюминия (корунда) 2320 К. Частицы корунда не могут коагулировать в сферические объемы подобно силикатным включениям, поскольку в жидкой сварочной ванне они находятся в твердом состоянии. Примеси других оксидов во включениях ведут к замет­ному снижению температуры плавления комплексных оксидов, облегчают их коагуляцию.

Оксиды железа. В виде природного минерала моно­оксид железа в технической литературе не описан. Обыч­но наличие монооксида железа в металле сварных швов свидетельствует о недостаточной их раскисленности, что подтверждают данные ряда исследований [5]. Чем меньше количество раскислителей в сварочной проволоке (Св-08), тем выше содержание оксидов железа в металле швов и наоборот.

Из анализа диаграммы состояния системы Fe—О видно, что при кристаллизации сварочной ванны из жидкого металла выделяется вюстит FeO. Ниже температуры 833 К (температуры превращения) вюстит должен превратиться в более стойкую модификацию — магнетит (Fe304). При распаде вюстита магнетит обычно выделяется раньше железа и, следовательно, остающийся вюстит содержит меньше кислорода, чем соответствует стехиометрическому составу FeO [5]. В связи с этим в металле сварных швов следует ожидать наличия включений оксидов железа, содержащих магнетит и вюстит.

Согласно диаграмме со­стояния системы Fe—О включения оксидов железа остаются жидкими до температуры 1644 К, что значительно ниже температуры кристаллизации стали. Поэтому названные включения обычно имеют сферическую форму.

Наибольшее количество оксидов железа содержится в швах, выполненных на кипящей стали дуговой сваркой непокрытым или электродом с тонким покрытием. При этом происходит интенсивное окисление металла сварочной ванны килородом воздуха, а раскис­ление металла осуществляется в процессе его остывания как в жидком, так и в твердом состоянии только желе­зом и марганцем. Но и в таких условиях в составе вклю­чений также содержится Si02.

Высокого содержания оксидов железа в составе не­металлических включений следует ожидать также в швах на армко-железе. Обычно включения FeO в стали непрозрачны, темно-серого цвета, изотропны, с большим показателем преломления.

Приведенные данные показывают, что в сварных швах обычно присутствуют не чистые оксиды железа, а включения, содержащие в растворе определенное коли­чество не только оксидов марганца, но и кремнезема.

В наиболее чистом виде оксиды железа во включе­ниях встречаются в виде шпинели-магнетита (FeOFe203). Магнетит выделяется при анализе практически всех марок сталей. Иногда он может присутствовать в виде единичных зерен. При сварке армко-железа и кипящих сталей проволокой Св-08 количество магнетита значительно больше. Так же как и FeO, магнетит сви­детельствует об окисленности стали. Наиболее сущест­венными свойствами магнетита являются его магнитные характеристики. Как и все шпинели, он кубической сис­темы и поэтому изотропен. Цвет зерен темно-коричневый или буровато-черный. Магнетит непрозрачен, в виде ку­сочков или корочек имеет металлический блеск.

Шпинели типа герценита (Fe0Al203) образуются при недостаточном раскислении алюминием металла шва, содержащего значительное количество FeO, или при сварке под флюсом, имеющим в составе FeO. Следует отметить, что шпинели подобного типа бы­вают покрыты силикатной оболочкой. Последнее затрудняет их обнаружение при исследовании металла швов.

Оксиды марганца. Включений чистых оксидов мар­ганца в сварных швах при сварке плавлением обычно не обнаруживают. Вместе с тем известно, что продуктами раскисления жидкой стали марганцем могут являть­ся как твердый раствор МnО и FeO, так и почти чистый оксид марганца, образующийся при концентрациях марганца в стали свыше 0,7 % [4].

В природе свободный монооксид марганца встречается редко — в виде минерала манганозита, цвет его изумрудно-зеленый, с повышением температуры переходит в желтый. На воздухе быстро окисляется, покрываясь черной корочкой Мп02. Температура плавления 1973 К. Блеск стеклянный. Встречаются прозрачные и непрозрачные разновидности. В составе неметаллических включений свободный монооксид марганца обычно не наблюдается. Монооксид марганца как энергичный основной оксид вступает в реакцию с кислотными оксидами, прежде всего с Si02 и А1203. Поэтому в сварных швах МnО не находится в свободном виде, а входит в состав глобулярных силикатов или алюмосиликатов. Обычно в таком виде малоустойчивая форма МпО может находиться в стали [4].

При ручной дуговой сварке покрытыми электродами и сварке под флюсом монооксид марганца чаще всего наблюдается в виде марганцевых силикатных стекол или железомарганцевых силикатов. При значительном содержании МпО во включениях часто наблюдается марганцевое силикатное стекло. Шаровидные частицы таких включений несколько вытянуты. Они непрозрачны и поэтому в проходящем свете кажутся черными. В боковом освещении цвет розовато - белый, матовый.

Марганец может входить также в состав включений на основе кристаллических силикатов и шпинелей. Из кристаллических силикатов, содержащих марганец, наиболее характерен метасиликат марганца (Mn0-Si02 или MnSi03). Включения марганца в виде кусков имеют характерный для силиката марганца розовый цвет.

Оксид хрома. В неметаллических включениях метал­ла шва оксиды хрома чаще всего образуются при сварке Плавлением хромистых или хромоникелевых сталей и сплавов. Оксид хрома (Сг203) имеет вид черных фигур неправильной формы и различных размеров. Он непрозрачен, изотропен. Имеет большой показатель преломления.

Как правило, в чистом виде включения Сr203 в металле швов наблюдаются чрезвычайно редко. В ряде случаев с помощью электронного микроскопа выявлялись округлые включения размером в несколько микрометров. Чаще всего Сr203 входит в cocтав комплексных соединений, например в состав хромистой шпинели (Fe0-Cr203) или шпинелида (nМп0-mСr203).

Оксиды хрома могут находиться и в составе хромистых стекол, представляющих собой зеленые непрозрач­ные шаровидные частицы.

Исследования особенностей окисления Сr кремнеземом при сварке под флюсом показали, что количество оксидов хрома в составе неметаллических включении практически не изменяется с увеличением актив­ности флюса по кремнию. Вместе с тем анализ шлаковых корок и наплавленного металла показал, что с увеличением количества Si02 во флюсе, т. е. с ростом его химической активности по кремнию, в наплавляемом металле уменьшается содержание хрома, а в шлаке по­вышается концентрация оксида хрома.

Оксиды титана часто содержатся в неметаллических включениях в металле сварных швов, выполненных руч­ной или автоматической сваркой, при наличии TiO2 в со­ставе покрытия электрода или сварочного флюса, а так­же при наличии титана в электродной проволоке или ос­новном металле.

В природе оксиды титана чаще всего встречаются в виде диоксида в минералах рутил, анатаз и брукит. Не­смотря на то, что титан образует три главных оксида Ti02, Ti203 и TiO, в составе неметаллических включений в сварных швах на стали обнаруживается только TiO2. Сведений о наличии в неметаллических включениях низших оксидов титана не имеется. Диоксид титана Ti02 — порошок белого цвета с плотностью 4,2 г/см3, температурой плавления 2123 К и температу­рой кипения —3270 К [5].

Как показали различные исследования зерна Ti02 в составе неметаллических вклю­чений в стали, содержащей титан, имеют вид мелких октаэдров и тонких палочек оранжево-красного или золотистого цвета. Они имеют высокий показатель преломления, обнаруживают их в составе неметаллических включений в незначительных количествах.

В зависимости от количества Ti02 в неметаллических включениях он может образовывать ряд сложных комп­лексных соединений, например 2Fe0-Ti02; FeO-Ti02. Соединение 2Fe0-Ti02 содержит 65 % FeO и 35 % Ti02, температура плавления 1743 К. Титанат железа Fe0-Ti02 содержит ~48 % FeO и 52 % Ti02, а плавится при температуре — 1743 К. В природе это соединение встречается в виде минерала ильменита.

Оксиды ванадия. Ванадий как раскислитель занимает промежуточное место между марганцем и кремнием, и поэтому в раскисленном кремнием и марганцем металле швов его оксиды обнаруживаются редко.

При раскислении сварочной ванны ванадием продукты раскисления имеют форму угловатых частиц. Такую форму имеет чистый оксид ванадия (V203), поскольку его температура плавления около 1970 °С и в жидкой сварочной ванне он присутствует в твердом состоянии.

В равновесных условиях V203 образуется в жидкой стали при содержании более 0,1 % ванадия. При меньшем содержании ванадия продуктом раскисления чаще всего является вюстит FeO с примесью феррованадиевой шпинели (Fe0-V203). Это соединение чаще всего встречается в виде строчечных образований кристаллического типа. Выделенные из стали зерна названного соединения коричневого цвета с металлическим блеском имеют ку­бическую форму.

 






Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни...

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)...

Индивидуальные и групповые автопоилки: для животных. Схемы и конструкции...

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой...



© cyberpedia.su 2017 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав

0.007 с.